大跨度維修機庫網架結構選型研究

張凱博

（中電投工程研究檢測評定中心有限公司）

1 大跨度維修機庫結構特點概述

維修機庫作為飛機定檢、維修的場地顯得尤為重要[1]，近年來，智能維修系統的配備對維修機庫建設提出了降低成本、提高安全與效率的更高要求。

維修機庫上部結構一般采用大跨度鋼網架結構[2]。大門一側開敞，頂部屋架實際處于三邊支撐、一邊自由的邊界條件下；而實際工程中，大門一側的跨度往往達到百米以上[3]。其次，為了滿足工藝需求，機庫網架底部需要設置懸掛吊車及其他智能設備，也對結構變形提出了更高要求。

目前大跨度維修機庫屋蓋較為成熟的結構設計方案是桁架與平板網架結合使用，在大門一側利用高度較大的桁架作為網架的支撐，提高開口邊的剛度，大門桁架可采用上反、向下凸出或上下均凸出的方案[4-5]。

2 項目工程概況和幾種平板網架選型

2.1 工程概況

本文以某實際工程為研究對象，該工程為某航空公司雙機位維修機庫，機庫大廳可容納兩架A350機型同時進行定檢及維修。機庫大廳進深77m，屋蓋下弦標高26.5m，機庫大門跨度為156m，兩側分別設置長度為24m 的門庫，下部采用鋼筋混凝土框排架結構，主要柱距為12m，機庫后側形成36m的局部柱距。

2.2 平板網架選型

機庫大門桁架采用五層空間桁架，桁架寬度為5m，桁架總高度為16m，門庫部分支座形式為釋放豎向剛度的彈簧支座。后部網架為三層平板網架，網架總高度為8m，支撐形式均為下弦支撐。鋼材均采用Q355B 鋼。針對機庫大廳后部鋼網架結構的選型，本文主要進行以下四種常見的平板網架形式的對比分析：兩向正交正放、正交斜放四角錐、正交正放四角錐、正放抽空四角錐。四種網架形式所用的大門空間桁架均按照相同的排列原則進行桿件排布。兩向正交正放、正交正放四角錐、正放抽空四角錐主要網格尺寸為4m，正交斜放四角錐上弦、下弦主要網格尺寸為4.24m。

2.3 荷載取值及計算參數

計算模型荷載取值、規范參數如下：設計使用年限50a；機庫各外表面均考慮恒荷載取值0.45kN/m2，平板網架下弦考慮智能維修系統、消防水管等恒荷載取值0.15kN/m2；屋面按不上人屋面考慮；風壓為0.5kN/m2；雪荷載為0.45kN/m2；溫差按照-15℃到25℃取值；該工程抗震設防分類為丙類，本地區抗震設防烈度為8 度，第二組，場地類別為Ⅱ類；吊車為4跨懸掛吊，起吊重量為12t。

本文各計算模型均按照以上計算參數、控制應力比不大于1進行迭代計算，網架整體指標及桿件、節點的應力、構造均能滿足規范要求，后文給出的計算數值均為迭代最終模型的計算結果。

3 結構受力特性對比分析

3.1 陣型及周期

網架結構承受的荷載中動力荷載非常普遍，陣型和周期是平板網架較為重要的動力參數，一定程度上能夠反映結構整體的受力性能。網架結構一般以前幾階振動為主，尤其是第一階陣型的占比較大，四種網架形式的周期及陣型形式見表1。

表1 四種網架形式的周期及陣型形式

通過對比發現不同形式的網架結構前幾階陣型曲面較為相似，一階陣型均為左右對稱陣型，第二、三階陣型存在左右反對稱陣型、前后反對稱陣型兩種。四種網架形式的周期總體相近，均在1s左右，正交斜放的各階周期（尤其是第一階）均最小，兩向正交正放則各階周期（尤其是第一階）均最大。

3.2 豎向位移

計算可知四種網架結構形式在各種荷載作用下最大位移出現的位置均相同，恒載和豎向地震作用下豎向變形最大處位于大門桁架中點附近，活載、風載作用下豎向變形最大處出現在后部網架中線靠近大門一側的三分點附近，吊車荷載作用下第2軌道、第3軌道處（由大門向后部數）的豎向變形最大。

表2 列舉了各種荷載下的最大豎向位移數值。比較可知，恒載下豎向位移絕對值最大，其次是長向和短向風荷載，再次為活荷載，吊車荷載和豎向地震下位移絕對值均較小，不足恒載下的1/10。風載下各節點位移絕對值基本小于恒載，不會起到控制作用，故而位移的控制荷載主要是恒+活的組合，這也與規范中的結構撓度容許值采用恒+活的組合相印證[6]。

表2 四種網架形式在主要荷載工況下豎向位移最大絕對值/mm

對比表2 中不同網架形式的數值，可知正交斜放四角錐在各種工況下的位移絕對值均最小，兩向正交正放均最大，若以正交正放四角錐的恒+活下位移為基準，則兩向正交正放的位移大22%，正交斜放四角錐的位移小15%，正放抽空四角錐的位移幾乎相同。

3.3 桿件內力分布

本節分析恒+活工況下四種網架形式的內力分布，整體受力特征相似，后部網架所受荷載傳遞至大門桁架和其余三邊的支座上，整體類似開口邊剛度較弱的四邊簡支板；大門桁架的荷載傳遞至桁架兩側的支座，類似簡支梁。后部網架的上弦桿主要受壓，下弦桿主要受拉，中弦桿和斜腹桿的受力則普遍較小。

本文所研究的四種網架形式中只有正交斜放四角錐的弦桿是不平行于機庫平面的斜向放置，其余三種的弦桿均為正放。幾何構型的不同也導致正交斜放四角錐的受力分布與其他三種有所不同，其內力分布呈現出兩條明顯的由后側中部向前側兩角的斜向主受力帶，表現為上弦桿壓力最大的位置出現在上弦中部、呈“八”字型；其余三種網架上、下弦桿中內力最大的桿件均分布在中部靠前的范圍內，且大門桁架附近的桿件內力相對更大。圖1 顯示了恒+活組合下上弦桿內力分布的區別。

圖1 恒+活組合下上弦桿內力分布的區別

橫向比較四種網架形式的內力極值與內力分布情況，可概括出以下規律：①對于網架部分，正交正放網架的上下弦桿內力相對最大，內力較大的桿件占比也較高，其次是正交正放四角錐，正交斜放四角錐和正放抽空四角錐的內力相對最小，但正交斜放四角錐內力較大桿件占比更高；②大門桁架部分的內力情況則是正交斜放四角錐最大，其次是兩向正交正放，正交正放四角錐和正放抽空四角錐兩者接近，且內力相對最小。

4 經濟性、支座反力對比

4.1 網架結構經濟性對比

用鋼量是網架結構最常用的經濟性考察指標。鑒于機庫類網架具有大門桁架部分，將大門桁架與后部網架分別統計進行對比研究，對比數值見表3所示。

表3 四種網架形式經濟性指標

由表3 中數值可知，整體而言兩向正交正放和正交斜放四角錐用鋼量較大，其中前者球節點占比也明顯高于其余網架形式，是經濟性最差的一種；正放抽空四角錐整體用鋼量和球節點占比均較低，屬于經濟性最好的一種。

4.2 支座反力對比

網架結構支座內力關系著支座本身能否得到合理的結構構造，同時支座反力也是下部結構設計的重要輸入條件，其中兩個切向的反力往往更為關鍵，其原因在于較大的切向支座反力會導致柱底彎矩過大。桁架和網架支座的絕對值最不利切向反力對比如表4所示。由表可知兩向正交正放的支座反力均最大，其余三者桁架支座反力相近，正放抽空四角錐網架支座反力為最小。

表4 絕對值最不利切向反力數值及位置(單位：kN)

5 結語

本文以相同設計條件下的兩向正交正放、正交斜放四角錐、正交正放四角錐、正放抽空四角錐四種網架結構的計算結果進行對比分析，得到如下主要結論，進行維修機庫屋蓋結構設計時可參考。

①兩向正交正放在結構剛度、變形、網架經濟性及支反力等主要考察指標上的性能均最差。

②正交斜放四角錐整體上具有最大的結構剛度和變形控制能力，但經濟性和支反力方面性能較差。

③兩種正放四角錐網架的受力模式和受力性能較為接近，正放抽空四角錐在經濟性和支反力控制方面略強于正交正放四角錐。